CN111907335A - 一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法，包括将驾驶人的制动踏板角度信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；将车轮的转速信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；将储能电池系统的电池电量SOC信号转化为电信号传送给整车控制器；根据得到的数据以及汽车当前受力情况计算出对应的制动强度与再生制动力；根据计算得到的制动强度的大小，选择不同的制动方案。本对无刷双馈电机的控制绕组进行控制，通过改变控制绕组端的电压的方式可以调节无刷双馈电机定子功率绕组端的功率因数，通过控制电动汽车无刷双馈电机的方式有效的提高电动汽车再生制动力的大小，提高电动汽车的续驶里程，控制方法简单，难度小。

Description

一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车制动的技术领域，尤其涉及一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法。

背景技术

在汽车制动工况时电动机转变为发电机运转，将一部分的动能或势能转化为电能储存利用，这个能量回收的过程称为再生制动，再生制动的存在可以增加电动汽车的续驶里程，提高电动汽车的续航能力。当前普遍使用的再生制动控制策略有如下三种：

(1)理想制动力控制策略：该策略是一种通过制动控制器来控制车辆前、后车轮上所需的制动力，以此来缩短车辆的制动距离和达到最优的制动效果的控制策略。该控制策略具体是指车辆制动强度z≤0.2时，车辆的制动力全部由电机再生制动提供，机械制动不参与制动过程；当z＞0.2时，驱动轮的制动力为再生制动与机械制动共同承担，若驱动轮上需要的总制动力不大于电机能产生的最大制动力时，则仅由再生制动进行制动；反之，机械制动则会参与工作以补充不足的制动力。该分配策略的优点为能够充分使用路面附着条件，提高车辆的制动效能，缺点为制动系统构造繁琐且只能将一小部分能量进行回收。

(2)并联制动力控制策略：该策略是在传统燃油车机械制动的基础上，在驱动轮上加入电机再生制动系统，将制动力按照固定比例进行分配。当制动强度z≤0.1时，车辆的制动力全部由电机再生制动力提供；当0.1＜z≤0.7时，机械制动系统和电机再生制动系统按照固定的比例共同参与到车辆的制动过程中，且随着制动强度z的变大，机械制动的占比逐渐变大，电机再生制动的占比逐渐减小；当z＞0.7时，定义为紧急状态，为了保证制动的安全性，此时电机的再生制动不参与制动过程。该策略的优点是系统结构简单，易于实现，应用价值较高，缺点是会影响制动时驾驶员的体验。

(3)最佳制动能量回收控制策略：该策略是在车辆不发生抱死的前提下，尽量采用电机再生制动系统进行制动，保证将更多的能量进行回收利用。该控制策略具体为：当制动强度z小于路面附着系数

时，假如电机的最大制动力能够满足当下的制动力需求，则全都由电机再生制动为驱动轮提供制动力；当制动强度z大于路面附着系数

时，驱动轮的制动力由两类制动力共同承担。该策略的优点是能够最大程度地将更多的能量进行回收利用，缺点是对制动系统的精度和实时性能要求非常高，可操作性不强。

目前，国内电动汽车驱动电机多使用永磁同步电机，虽然有结构体积小，功率因数高等优点，但同时永磁体的存在也导致价格贵，调速性能差的特点，且电动汽车的再生制动性能与异步感应电机驱动系统相比也略逊一筹。

专利CN110481552A公开了一种电动货车的制动再生的控制方法，其步骤是：以实时车速和当前电池剩余电量作为判断是否启动电动货车制动再生功能的依据，通过计算并判断制动强度将驾驶员所需要的制动力进行合理的分配，提高纯电动货车续驶里程。再生制动性能的好坏与驱动电机的发电能力有很大关系，现有的再生制动控制技术大多是从制动力分配出发，没有考虑到驱动电机特性对再生制动性能的影响，这样不仅控制成本高，而且获得的收益小。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所要解决的问题在于提供一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法，在制动过程中可以通过调节控制绕组的电压来调节功率绕组的功率因数，提高再生制动力的大小，增加电动汽车的续航里程。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法，包括以下步骤：

S1：将驾驶人的制动踏板角度信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；

S2：将车轮的转速信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；

S3：将储能电池系统的电池电量SOC信号转化为电信号传送给整车控制器，当当前电池剩余电量大于总电量的90％时，为了避免过度充电对电池寿命的影响，此时不进行再生制动，退出控制流程；当当前电池剩余电量小于总电量的90％时，进行下一个步骤；

S4：整车控制器根据步骤S1、步骤S2、步骤S3得到的数据以及汽车当前受力情况计算出对应的制动强度与再生制动力；

S5：根据步骤S4中计算得到的制动强度的大小，选择不同的制动方案，当制动强度z≤0.1时，车辆的制动力全部由电机再生制动力提供；当0.1＜z≤0.7时，定义为复合制动，即机械制动系统和电机再生制动系统共同参与到车辆的制动过程中；当z＞0.7时，定义为紧急制动，为了保证制动的安全性，此时电机的再生制动不参与制动过程，全部制动力由机械制动力提供。

进一步的，在步骤S4中，制动强度z的计算公式为

式中，F_t为汽车运动所有阻力的总和，m为汽车总质量；

再生制动力的大小F_re为

式中，n为驱动电机的转速，n_m为电机额定转速，T_re为再生制动转矩，p_re为电机最大功率，η_T为机械传动效率，r为车轮半径，i₀，i_g分别为减速器与变速器的传动比。

进一步的，在步骤S5中，当根据制动强度需要选择复合制动时，通过电机控制器对无刷双馈电机的控制绕组电压进行调节，可以调节无刷双馈电机定子功率绕组端的功率因数，增加无刷双馈电机产生的再生制动力，增加电动汽车的续航里程；再将制动所需的总制动力与得到的再生制动力相减，得到需要协同作用的机械制动力。

由上，通过本发明的基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动的控制方法，当再生制动力与机械制动力共同工作时，对无刷双馈电机的控制绕组进行控制，通过改变控制绕组端的电压的方式可以调节无刷双馈电机定子功率绕组端的功率因数，通过控制电动汽车无刷双馈电机的方式有效的提高电动汽车再生制动力的大小，提高电动汽车的续驶里程，控制方法简单，难度小。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。

图1为本发明的基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法流程图；

图2为本发明的基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制系统的结构图；

图3为汽车滚动阻力示意图；

图4为汽车爬坡阻力示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

在目前仅针对再生制动控制策略进行改进的现有技术基础上，本发明提出一种在电动汽车进行再生制动的过程中，利用无刷双馈电机的驱动特点来提高再生制动力的控制方法，控制方法简单，难度小，可以有效提高电动汽车的续航能力。

电动汽车在进行制动时，其制动强度大小根据汽车当前的受力情况而定。电动汽车在行驶过程中受到的力有牵引力，滚动阻力，空气阻力，坡道阻力以及加速阻力。

电动汽车行驶时的力平衡方程表达式为：F_t＝F_r+F_w+F_i+F_j，将该表达式展开可以得到：

滚动阻力受力示意图如图3所示。为了防止轮胎滚动，偏移力与车轮的荷载之间n产生了一个防止车轮滚动的力矩T_f，可表示为：T_f＝nα。式中，α为地面反作用力偏离轮胎中心线的距离。这种情况，为了使车轮能够旋转起来，需要往车轮中心施加一个等效作用力F_p克服地面作用在车轮上阻力，T_f＝F_pr

经过变换得：

处于平衡条件下时，荷载M和地面对车轮产生的法向反作用力F_z是一对数值相等方向相反的力，即：

F_r＝F_p＝f_mmg。式中，f_m为轮胎滚动阻力系数。

坡道阻力受力示意图如图4所示。F_i＝mgsinα₁式中，α₁—坡道角度；

在实际道路中，通常是用坡度i来衡量坡道的缓急程度，其表达式为：

式中，h—坡道的竖直高度；S—坡道沿水平方向的距离。

当坡度角α₁较小时，tanα₁≈sinα₁＝i，所以：

空气阻力：行驶过程中由空气产生阻碍汽车前行的力，通常由压力、摩擦阻力组成的，由于空气自身的粘性特点，当其附着在车辆的外表面时会沿着车辆行驶方向形成的阻力，称为摩擦阻力，其大小与汽车运动时形成气流的流动力存在比例关系，可以表示为：

式中，C_D为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；ρ为空气相对密度，取值1.2258N·s²·m^-4；v_r为汽车在行驶过程中的相对速度；

在研究时，相对速度v_r在数值上和汽车行驶速度v是相等的，此时可以将上面表达式改写为：

加速阻力：汽车自身的质量会在加速过程中由于惯性作用产生一个阻碍车辆前进的阻力，这个阻力被称为加速阻力。而质量分为平移和旋转这两种形式的质量，为了方便算出等效的总质量，通常会统一将旋转质量等效转换为平移质量来计算，加速阻力可表达为：

式中，δ_m为质量换算系数。

如图1和图2所示，本发明的再生制动系统工作的详细过程为：整车控制器1接受驾驶人制动踏板3的角度信号，整车控制器1接受车轮2发出的车速信号，电池系统4发送电池电量SOC信号给整车控制器1，整车控制器1根据得到的信号数据计算出当前汽车制动对应的制动强z度、总制动力和再生制动力，并将计算得到的再生制动力发送给电机控制器5，电机控制器5控制无刷双馈电机6控制绕组电压，增加功率绕组的功率因数，增加再生制动力的大小。

本发明提出的基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法的流程为：

步骤1：将驾驶人的制动踏板角度信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；

步骤2：将车轮的转速信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；

车速与电机转速的关系为

式中，n为驱动电机的转速，v为当前车速，r为车轮半径，i₀，i_g分别为减速器与变速器的传动比。

步骤3：将储能电池系统的电池电量SOC信号转化为电信号传送给整车控制器，当当前电池剩余电量大于总电量的90％时，为了避免过度充电对电池寿命的影响，此时不进行再生制动，退出控制流程。当当前电池剩余电量小于总电量的90％时，进行下一个步骤；

步骤4：整车控制器根据步骤1、步骤2、步骤3得到的数据以及汽车当前受力情况计算出对应的制动强度z与再生制动力F_re。

制动强度z的计算公式为

式中，F_t为汽车运动所有阻力的总和，m为汽车总质量。

再生制动力的大小F_re为

式中，n_m为电机额定转速，T_re为再生制动转矩，p_re为电机最大功率，η_T为机械传动效率。

步骤5：根据步骤4中计算得到的制动强度z的大小，选择不同的制动方案，当制动强度z≤0.1时，车辆的制动力全部由电机再生制动力提供；当0.1＜z≤0.7时，定义为复合制动，即机械制动系统和电机再生制动系统共同参与到车辆的制动过程中；当z＞0.7时，定义为紧急制动，为了保证制动的安全性，此时电机的再生制动不参与制动过程，全部制动力由机械制动力提供。

在步骤5中，当根据制动强度需要选择复合制动时，通过电机控制器对无刷双馈电机的控制绕组电压进行调节，可以调节无刷双馈电机定子功率绕组端的功率因数，这样可以增加无刷双馈电机产生的再生制动力，增加电动汽车的续航里程。再将制动所需的总制动力与得到的再生制动力相减，得到需要协同作用的机械制动力。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将驾驶人的制动踏板角度信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；

S2：将车轮的转速信号通过传感器转换为电信号传送给整车控制器；

S3：将储能电池系统的电池电量SOC信号转化为电信号传送给整车控制器，当当前电池剩余电量大于总电量的90％时，为了避免过度充电对电池寿命的影响，此时不进行再生制动，退出控制流程；当当前电池剩余电量小于总电量的90％时，进行下一个步骤；

S4：整车控制器根据步骤S1、步骤S2、步骤S3得到的数据以及汽车当前受力情况计算出对应的制动强度与再生制动力；

S5：根据步骤S4中计算得到的制动强度的大小，选择不同的制动方案，当制动强度z≤0.1时，车辆的制动力全部由电机再生制动力提供；当0.1＜z≤0.7时，定义为复合制动，即机械制动系统和电机再生制动系统共同参与到车辆的制动过程中；当z＞0.7时，定义为紧急制动，为了保证制动的安全性，此时电机的再生制动不参与制动过程，全部制动力由机械制动力提供。

2.如权利要求1所述的基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法，其特征在于，在步骤S4中，制动强度z的计算公式为

式中，F_t为汽车运动所有阻力的总和，m为汽车总质量；

再生制动力的大小F_re为

式中，n为驱动电机的转速，n_m为电机额定转速，T_re为再生制动转矩，p_re为电机最大功率，η_T为机械传动效率，r为车轮半径，i₀，i_g分别为减速器与变速器的传动比。

3.如权利要求1所述的基于无刷双馈电机驱动的电动汽车再生制动控制方法，其特征在于，在步骤S5中，当根据制动强度需要选择复合制动时，通过电机控制器对无刷双馈电机的控制绕组电压进行调节，可以调节无刷双馈电机定子功率绕组端的功率因数，增加无刷双馈电机产生的再生制动力，增加电动汽车的续航里程；再将制动所需的总制动力与得到的再生制动力相减，得到需要协同作用的机械制动力。

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